1
光纖制造過程中斷裂原因的淺析
摘要：在光纖的整個制造過程中，光纖都有發(fā)生斷裂的可能。在此篇文章中，筆者根據(jù)在高倍顯微鏡下觀察的
結(jié)果并結(jié)合生產(chǎn)實際情況，初步分析了光纖制造過程中發(fā)生斷裂的一些原因。
關(guān)鍵詞：光纖 斷裂原因 鏡面 斷裂應(yīng)力
一引言
我們知道光纖制造中石英玻璃的理 論強度是由 (Si02)分子之間的鍵結(jié)
合力決定的，當SiO2鍵發(fā)生斷裂時，其斷裂強度高達20GPa。然而，由于
石英玻璃 中玻璃基體存在的微小不均勻性 、由高溫熔融到驟冷的拉絲等均
會使石英玻璃表面形成應(yīng)力分布不均生產(chǎn)環(huán)境中的塵埃、機械損傷等會使
光纖產(chǎn)生微裂紋 ，這些都會降低光纖的斷裂強度。光纖強度一方面決定于
石英玻璃表面微裂紋的數(shù)量、大小、分布以及雜質(zhì)的情況等，另外一方面
也取決于涂覆層 ，具體來講 ，涂覆層對石英玻璃的粘附力越強，則對裂紋
的保護作用越明顯，光纖的強度就越高但是光纖涂覆所用的樹脂材料其固化
后的機械強度是MPa級 ，與石英玻璃相比，相差懸殊 ，故光纖的斷裂強度
主要由石英玻璃部分決定的。
我們知道 ，石英玻璃在常溫下的斷 裂是脆性斷裂。根據(jù)Griffith脆性材料
斷裂理論 ，假設(shè)光纖表面微裂紋的形狀為U字形，外界作用力將集中在U字
形裂 口的頂端 ，計算出光纖斷裂的條件為 :
其中，KIc為應(yīng)力強度因子的臨界值 ，稱為斷裂韌度，E為楊 氏模量 ，r
為表面能 。當裂紋應(yīng) 力強度因子K增加到KIc時，光纖上的微裂紋將會生長
擴展直至發(fā)生斷裂。
在理想環(huán)境條件下 (低溫 、濕度為零、高真空)，任何裂紋都不會生長
這時 ，僅 當外界施 加的應(yīng)力增加到KIC時,斷裂才會發(fā)生。
在實際環(huán)境條件下，外界施加在光纖上的任何大小的應(yīng)力，都會使裂紋生長 ，乃至光纖斷裂。光纖表面的裂紋是光纖斷裂的內(nèi)在因素 ，應(yīng)力和潮氣的存在共同促進了裂紋的擴展，最后導(dǎo)致光纖斷裂 。根據(jù)無機材料斷裂特性方面相關(guān)的資料 ，裂紋的生長過
程可以分解成兩個階段 ：首先 ，源徽裂紋 (日口：斷裂源)在應(yīng)力作用下緩慢生長 ，形成鏡面部分。然后 ，隨著源微裂紋的生長產(chǎn)生出次微 裂紋 ，次 微裂紋開始迅速的生長 ，由于次微裂紋的數(shù) 目不止一個，故它們之間相互疊加，形成輻射狀碎裂條紋 。典型的
鏡面如圖1所示。 以上便是光以上便是纖發(fā)生斷裂的原因和理 。
二． 光纖制造過程中斷裂原 因的分析
在外界應(yīng)力的作用下，石英玻璃中的微裂紋開始生長，最終導(dǎo)致光纖斷裂，這種情況在光纖的制造過程中有時會出現(xiàn) 。通過高倍顯微鏡 ，我們可以對光纖的斷面進行觀察分析。對于有鏡面的斷面，一般都可以找到它的斷裂源 ，借助掃描電鏡和x一射線能量色散分析儀等儀器便可以分析出斷裂源的類型，從而可以大致判斷出是雜質(zhì)、氣泡還是外界損傷 引起的斷裂。但是想要準確得到是哪種原因造成的光纖斷裂是一件相當困難的事情 ，因為經(jīng)常是有幾個或數(shù)個因素參雜在一起，最終導(dǎo)致了光纖的斷裂。
我們在顯微鏡下對發(fā)生斷裂的光纖樣品進行了觀察分析，根據(jù)顯微鏡分析結(jié)果并結(jié)合光纖制造過程中遇到的實際情況，把斷裂原因歸結(jié)為以下幾個方面 ：
1．鏡面在石英玻璃的中心
一般來說，這種鏡面表明，光纖斷裂是由預(yù)制棒本身的問題造成的。對于預(yù)制棒本身缺陷造成的光纖斷裂，通常在顯微鏡下，可以觀察到斷面中的鏡面位于石英玻璃的中心部分，然后向各個方向呈輻射狀散開去。這說明裂紋的生長源 (或斷裂源)位于石英玻璃的中心部分，也就是說預(yù)制棒本身有雜質(zhì)或氣泡等。鏡面形狀如圖2、3所示。在目前成熟的預(yù)制棒制造工藝條件下，由于預(yù)制棒本身問題，而造成拉制成的光纖發(fā)生斷裂或強度較低的概率比較小。
2．在石英玻璃邊緣部分有鏡面
對于拉絲爐問題造成的光纖斷裂，通常在顯微鏡下，可以觀察到斷面中的鏡面位于石英玻璃的邊緣，然后向石英玻璃的其他方向呈輻射狀散開去。鏡面形狀如圖4、5所示。在鏡面附近的光纖涂層依然保持完好，這說明是石英玻璃部分出現(xiàn)問題造成了光纖的斷裂。要么是石英玻璃部分混入了雜質(zhì)或氣泡，要么是石英玻璃部分被擦傷。具體原因可以由掃描電鏡來分析斷裂源得出。出現(xiàn)這種低應(yīng)力斷裂點的原因，可能與下列因素有關(guān)：(1)石英玻璃表面在拉絲過程中受到外部顆粒的污染，而雜質(zhì)與石英玻璃的膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致光纖在冷卻過程中的局部應(yīng)力過大，形成了微裂紋；(2)由于冷卻管內(nèi)有碎光纖或其他雜質(zhì)，光纖制造過程中與之有摩擦作用，造成石英玻璃表面的微裂紋 ；(3)由于制造或存放光纖的環(huán)境中，溫濕度過高致使水分子擴散進入光纖，造成硅氧鍵斷裂，形成微裂紋等。
如果鏡面附近的光纖涂層出現(xiàn)了缺口，也即是此處光纖涂層有缺損 (圖6、7)，則說明光纖的斷裂可能和外界的應(yīng)力作用有較大關(guān)系。此問題將在下面進一步討論。
在對斷面的分析中，有時可以看到全鏡面 (圖8)，則說明光纖上的此點微裂紋情況較為嚴重。
3．光纖涂層受損
在對光纖的斷面分析過程中，有時發(fā)鏡面附近的涂層有破損，此時則需要對斷點附近的光纖表面進行觀察分析，看是否能找到外界應(yīng)力破壞光纖涂層造成光纖斷裂的證據(jù)。一股來說，如果能在斷點附近的光纖涂層表面找到較為嚴重的破損 ，則外界應(yīng)力作用便應(yīng)該是光纖斷裂的重要原因，但有可能不是唯一的原因，需要根據(jù)實際情況進行具體分析圖9、l0、ll表面光纖涂層受損嚴重。如果涂層受損嚴重，觀察光纖外觀時 ，則會發(fā)現(xiàn)光纖顏色可能會發(fā)生較為明顯的變化。
4．無鏡面
有時在收集到的光纖斷點樣品中，并未發(fā)現(xiàn)鏡面 (圖l2)， 且從側(cè)面觀察發(fā)現(xiàn)斷面呈無規(guī)則、尖銳狀 (圖l3)，分析原因可能一是光纖斷裂后與設(shè)備或其他地方發(fā)生碰撞 ，導(dǎo)致鏡面被破壞，二是光纖受到了很大的外部作用力導(dǎo)致斷裂，微裂紋還未來得及生長。對于這種， 我們基本上無法找到光纖斷裂的原因。
三．總結(jié)
借助高倍顯微鏡對光纖斷點樣品進行觀察分析，有助于迅速找出光纖發(fā)生斷裂的原因。對于當時斷裂時的應(yīng)力也可以根據(jù)鏡面的大小大致的推算出，這對我們判斷光纖斷裂點的強度有一定的幫助。鏡面越小，斷裂應(yīng)力越大，通常說明光纖斷裂因素中外界作用力占的可性較大，石英玻璃本身缺陷造成斷裂的可能性較小；鏡面越大 ，斷裂應(yīng)力越小，通常說 明光纖斷裂因素 中石英玻璃本身原因占的可能性較大。我們得到的一張經(jīng)驗表格 (表1)，表明鏡面半徑與斷裂應(yīng)力大小的關(guān)系。
我們可以根據(jù)分析得到的光纖斷裂原因，有針對性地對光纖制造工藝和環(huán)境進行改進和控制，使每千公里斷點數(shù)維持在一個較低的水平上。
參考文獻 ：
1．胡先志 劉澤恒 等編著 光纖光纜工程測試)) 人民郵電出版社
2．李鳴洋 吳碧華 著 ((光纜線路障礙的查找與判別》
2
學(xué)習(xí)
3